Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Композитные материалы: история развития, разновидности и механические свойства 14
1.1. История развития композитов и их разновидности 14
1.2. Определение свойств структурно-неоднородных сред 18
1.2.1. Теория эффективного модуля 19
1.2.2. Модели, основанные на усреднении упругих свойств по объему и объемных долях элементов. Оценка значений для верхней и нижней границ модуля упругости энергетическим методом 20
1.2.3. Вариационные методы 21
1.2.4. Приближенные модели, учитывающие структуру и объемную долю включений 21
1.2.5. Точные модели, основанные на регуляризации структуры 28
1.2.6. Методы, основанные на статистических уравнениях механики деформируемых сред. Асимптотические методы 29
1.2.7. Модель Таканаяги и ее модификации 29
1.2.8. Определение деформационных свойств с объемной долей включений, близкой к предельной 30
1.2.9. Механические модели гетерогенных сред с цилиндрическими включениями конечной длины 31
1.2.10. Другие методы определения свойств композитов 31
1.3. Разрушение композитных материалов 32
1.4. Выводы 34
Глава 2. Массивы грунтов как структурно-неоднородная среда 37
2.1. Некоторые методы оценки эффективных свойств структурно-неоднородных грунтовых массивов 37
2.2.Выводы 39
Глава 3. Геотехногенные массивы как структурно-неоднородная среда 41
3.1. Понятие геотехногенных массивов и требования к их созданию 41
3.2. Инъекционные методы создания геотехногенных массивов 44
3.3. Некоторые методы оценки эффективных свойств геотехногенных массивов 56
3.4.Выводы 59
Глава 4. Инъекционное усиление грунтов по методу «Геокомпозит» 61
4.1. Физические основы метода «Геокомпозит» 61
4.1.1. Физические основы метода «Геокомпозит» 61
4.1.2. Структура создаваемого «Геокомпозита» 61
4.1.3. Принципы создания элементов «Геокомпозита» 62
4.1.4. Этапы создания элементарной ячейки 66
4.2. Технология укрепления оснований зданий и сооружений методом «Геокомпозит» 68
4.2.1. Особенности технологии при укреплении грунта под новое строительство . 69
4.2.2. Особенности технологии при укреплении грунта при реконструкции зданий и сооружений. 71
4.3. Влияние грунтовых условий и обводненности грунтов на применение метода «Геокомпозит» 73
4.4. Применяемое оборудование при усилении грунтов методом «Геокомпозит» 76
4.5.Способы контроля эффективности усиления грунтов по методу «Геокомпозит» 77
4.5.1. Оценка эффективности усиления грунтов по методу «Геокомпозит» методом электродинамического зондирования (ЭДЗ) 77
4.5.2. Оценка эффективности усиления грунтов по методу «Геокомпозит» методом оценки осадок сооружений 81
4.5.3. Оценка эффективности усиления грунтов по методу «Геокомпозит» скважинным штампом. 83
4.6.Преимущества и отличия метода «Геокомпозит» от аналогов 85
4.7.Экономические преимущества метода «Геокомпозит» 90
4.8. Другие задачи, решаемые методом «Геокомпозит» 92
4.9. Выводы 96
Глава 5 Лабораторные исследования геокомпозитных смесей, созданных на основе песчаной матрицы 98
5.1. Общая характеристика песков 98
5.2. Постановка задачи, подготовка материалов и условия проведения испытаний 102
5.3. Формирование образцов композита из песчаной матрицы и включений из стекла и стали 107
5.4. Результаты лабораторных исследований 112
5.5. Выводы 123
Глава 6. Полевые исследования по оценке эффективного модуля общей деформации песчаного массива, усиленного по методу «Геокомпозит» 125
6.1. Описание площадки полевых исследований 125
6.2. Методика оценки эффективного модуля общей деформации 127
6.3. Оценка эффективного модуля общей деформации массива 131
6.3.1. Оценка эффективного модуля общей деформации ИГЭ 131
6.3.2. Оценка эффективного модуля общей деформации массива 147
6.4.Анализ и сравнительная оценка результатов экспериментальных и аналитико-численных исследований 159
6.5 Сравнительная характеристика различных методов оценки эффективного модуля общей деформации массива 165
6.6. Выводы 167
Заключение 169
Список литературы
- Определение свойств структурно-неоднородных сред
- Некоторые методы оценки эффективных свойств структурно-неоднородных грунтовых массивов
- Инъекционные методы создания геотехногенных массивов
- Особенности технологии при укреплении грунта под новое строительство
Введение к работе
Состояние проблемы и постановка задачи. С конца 20-х – начала 30-х годов XX века в связи с увеличением объемов строительства и сложности возводимых объектов начали широко применяться методы технической мелиорации грунтов, направленные на искусственное преобразование грунтовых массивов и повышение их несущей способности. Широкое распространение получили такие методы, как цементация, силикатизация, битумизация, глинизация, смолизация и другие, основанные на пропитке грунта и образовании более прочных структурных связей между элементами породы. Многие из перечисленных методов имеют ограничения по техническим причинами и экологическим показателям. К числу таких ограничений следует отнести зависимость получаемых конечных результатов от проницаемости и влажности грунтов, продолжительность процесса пропитки грунта, в ряде случаев – высокая стоимость применяемых для закрепления вяжущих компонентов.
В связи с этим в конце прошлого столетия – начале нынешнего в мировой строительной практике появились более эффективные методы и технологии закрепления грунтов. В настоящее время насчитывается более 20 различных методов и их разновидностей, большая часть которых основана не только на пропитке, но и на преобразовании структуры массива грунта.
Одним из наиболее эффективных и перспективных методов преобразования грунтов является инъекционный метод уплотнения и армирования грунта «Геокомпозит» с применением технологии гидроразрыва. Метод был разработан Б.Н. Мельниковым, А.И. Нестеровым и В.И. Осиповым в 1985 г. применительно к лессовым грунтам. В дальнейшем он был усовершенствован В.И. Осиповым, С.Д. Филимоновым и Е.В. Кайлем и применен для закрепления песчано-глинистых толщ. В настоящее время метод нашел широкое применение не только для песчано-глинистых, но и для заторфованных и различных техногенных грунтов.
Несмотря на широкое применение, метод «Геокомпозит» требует дальнейшего научно-методического и технического совершенствования. Одним из наиболее сложных вопросов остается расчет модуля общей деформации усиленного массива и оценка его несущей способности. Такой расчет необходим при составлении проектов усиления и предварительной оценке экономической эффективности его применения.
Исходя из изложенного, вытекает задача данного исследования. Она заключается в разработке метода расчета и оценке «эффективного» модуля общей деформации толщи грунта, закрепленной методом «Геокомпозит», на основе использования теоретических основ создания композитных материалов и определения их свойств. «Эффективным» модулем общей деформации усиленного массива принимается модуль общей деформации усиленного массива с учетом изменения свойств грунтов после усиления и наличия в массиве армирующих элементов (цементные включения, микросваи).
Конечной целью работы является совершенствование методики оценки эффективного модуля общей деформации закрепленных массивов грунта и оптимизации методов расчета эффективного модуля общей деформации массива при составлении проектов закрепления оснований конкретных объектов с применением метода «Геокомпозита».
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие исследования:
- изучить по литературным источникам теоретические основы решения вопроса о выборе оптимального метода расчета эффективного модуля общей деформации грунтового массива;
- проведение лабораторных исследований с целью получения данных, подтверждающих зависимости свойств композитных смесей от объема, состава и характера включений;
- проведение полевых исследований с целью разработки и применения методики оценки эффективных характеристик грунтового массива.
Актуальность исследований. Актуальность исследований определяется практической важностью отыскания метода расчета эффективного модуля общей деформации массивов грунтов, закрепленных методом «Геокомпозит». Разработка такого метода расчета позволит осуществлять научно-обоснованное проектирование работ по закреплению и определять в процессе проектирования необходимые объемы цементного раствора, частоту и глубину заложения инъекторов, уточнять технологию выполнения работ, прогнозировать получаемый эффект от закрепления и стоимость выполнения всей работы.
Объект исследования. Исследования проводились в два этапа. Первый осуществлялся в лабораторных условиях. Объектом лабораторных исследований были искусственные смеси с твердыми включениями разного состава, формы и размера. В качестве включений использовались стеклянные и стальные цилиндры и шары.
На втором этапе производились полевые исследования, которые заключались в изучении свойств армированного песчаного массива. В качестве объектов исследования были взяты 11 жилых монолитных зданий, этажностью от 17 до 22, с общим количеством секций 40 штук. Основания данных сооружений были усилены с помощью метода «Геокомпозит».
Информационная база и личный вклад автора. Работа основана на использовании обширной литературы в области механики композитов. Автором выполнен обзор литературы и сбор информации о технологиях и свойствах создаваемых композитных материалов и способах определения усредненных параметров, характеризующих их свойства. Затем из всего изученного был выбран наиболее подходящий метод оценки эффективных свойств грунтовых массивов.
Основные разделы диссертации написаны на основании экспериментальных данных, полученных автором:
1) В лабораторных условиях результаты 243-х испытаний на сдвиг и 81-ого испытания компрессией образцов композитных материалов на основе песчаной матрицы.
2) На экспериментальной площадке в полевых условиях было выполнено:
- 7 штамповых испытаний;
- 28 точек электродинамического зондирования;
- вскрытие шурфов и изучение распространения цементного камня в массиве;
- вскрытие шурфов и изучение строения армированных микросвай;
- 10 определений плотности и влажности грунта, отобранного из шурфа.
3) В ходе полевых испытаний на площадках 11 многоэтажных жилых монолитных зданий (40 блок-секций) было выполнено:
- сбор и обработка материалов по геологическому строению, проектных данных по усилению 40 блок-секций;
- сбор и анализ 40 точек электродинамического зондирования до усиления грунтов;
- сбор и анализ 160 точек электродинамического зондирования после усиления грунтов;
- сбора и анализа данных мониторинга осадок 40 блок-секций.
Достоверность исследований. Все лабораторные эксперименты проводились на базе аттестованной Лаборатории изучения состава и свойств грунтов в структуре Института Геоэкологии РАН. Опыты производились на сертифицированном оборудовании отечественного и зарубежного производства в соответствие с ГОСТ’ом «12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости».
Создание экспериментальной площадки, а также усиление объектов изучаемой территории проводилось силами компании ООО «Геомассив», имеющей патент и лицензию на осуществление данных работ.
Проведение электродинамического зондирования и штамповых испытаний осуществлялось силами компании ООО «Геомассив», имеющей сертифицированное оборудование и лицензию на осуществление данных работ. Все изыскания проводились с соответствие с ГОСТ’ом «19912-2012. Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием» и СП «11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства».
Обработка экспериментальных данных производилась в соответствие с ГОСТ’ом «20522-2012. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний».
Разработка методов расчета эффективных характеристик производилась в соответствие с СП 22.13330.2011 "СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений".
Научная новизна заключается в следующем:
- получены экспериментальные данные, подтверждающие зависимости свойств искусственно полученных смесей песка с различными включениями от состава, формы, объемной доли и характера ориентации армирующих включений, а также выявлены особенности взаимодействия элементов композита в зависимости от их процентного содержания в песчаной матрице;
- впервые применена теория композитов для расчета эффективного модуля общей деформации толщи, преобразованной в геокомпозит, матрицей которого являются слабые грунты, а внедряемыми твердыми элементами – цементные включения;
- разработана методика проведения полевых измерений и анализа данных, необходимых для расчета эффективного модуля общей деформации геокомпозитов;
- сопоставлены результаты расчета эффективного модуля общей деформации массива разными методами, которые включают в себя: метод расчета по осадкам с использованием данных, полученных из проектов, в результате электродинамического зондирования, расчета по обратному правилу смеси, по фактическим осадкам, а также метод последовательного усреднения;
- получена расчетная формула и выбран оптимальный метод для оценки эффективного модуля общей деформации инженерно-геологического элемента с учетом включений цементного камня, и получена зависимость данного показателя от объема нагнетаемого твердеющего раствора;
- использован метод расчета по фактическим осадкам и получены значения эффективного модуля общей деформации геокомпозитов с учетом всех факторов, возникающих в результате создания геотехногенного массива;
- оценено влияние стальных инъекторов, оставляемых в массиве грунта, на формирование эффективного модуля общей деформации массива, усиленного методом «Геокомпозит».
Основные защищаемые положения.
-
-
-
Подтверждены вытекающие из теории композитов закономерности на примере искусственных смесей песка и инородных включений различного состава, размера и формы.
-
Установлены основные эффекты, обуславливающие повышение несущей способности грунтов при создании геокомпозитов. К числу таких эффектов относится: а) уплотнение грунта при инъектировании цементного раствора под давлением; б) гидроразрыв грунта в прилегающей к инъектору зоне; в) заполнение гидроразрывных полостей цементным раствором с армированием массива цементным камнем.
-
Проведен анализ методов расчета эффективного модуля общей деформации геокомпозитов, применяющихся в механике композитов, в сочетании с фактическими данными, полученными при наблюдении за осадками сооружений. Произведена оценка и найдены оптимальные методы расчета эффективного модуля общей деформации как для отдельных инженерно-геологических элементов, так и для массивов в целом.
-
Оценено дополнительное усиление массива закрепленного грунта путем создания армированных микросвай из инъекторов, оставляемых в массиве после окончания нагнетания раствора.
-
Разработана методика расчета эффективного модуля общей деформации массива грунта, усиленного по методу «Геокомпозит».
Практическая значимость работы. Полученные в ходе лабораторных работ экспериментальные данные позволяют выделять наиболее оптимальные объемные доли включений для достижения эффективных характеристик композита.
Применение теории композитов для создания геокомпозитов, матрицей которых являются слабые грунты, а внедряемыми твердыми элементами – цементные включения, позволяет аналитически оценить степень эффективности усиления ИГЭ в зависимости от объема нагнетаемого твердеющего раствора и установить оптимальный объем инъектирования для достижения необходимых эффективных свойств массива.
Использование метода расчета по фактическим осадкам позволяет учесть все факторы, возникающие в результате создания геотехногенного массива, при оценке эффективного модуля общей деформации геокомпозитов.
Апробация результатов исследования. Материалы лабораторной части были представлены:
- в 2008 году на Девятой Межвузовской Молодежной Научной Конференции "Школа экологической геологии и рационального недропользования" на базе Санкт-Петербургского государственного университета;
- в 2010 году на «Пятой Сибирской Международной конференции молодых ученых по наукам о Земле», проходившей на базе Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН и Института нефтегазовой геологии и геофизики имени А.А. Трофимука СО РАН, г. Новосибирск.
Также лабораторная часть исследований обсуждалась:
- на семинаре в рамках «Международного Молодежного Научного Форума Ломоносов-2010» на подсекции «Инженерная и экологическая геология» секции «Геология» на базе кафедры Инженерной и экологической геологии МГУ им. Ломоносова.
Основные положения работы были представлены на обсуждение в рамках:
- Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» на подсекции «Механика грунтов» в НИУ МГСУ в 2013 году;
- «II Всероссийской научно-практической конференции. Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Урала и сопредельных территорий» на секции Общие проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии на базе УГГУ г. Екатеринбург в 2013 году.
- юбилейной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Е.М. Сергеева «XVI юбилейные Сергеевские чтения. Развитие научных идей академика Е.М. Сергеева на современном этапе», ИГЭ РАН, 2014 год.
По результатам работ были опубликованы три статьи в рецензируемом журнале «Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология», входящем в список научных изданий, рекомендуемых ВАК’ом.
Структура работы. Работа состоит из введения, 6-ти глав, заключения и списка литературы из 124 наименований. Объем работы составляет 182 страницы, включая 63 рисунка и 9 таблиц.
Автор выражает огромную благодарность Осипову В.И., по руководством которого проводились все этапы исследований и была написана работа. Также автор выражает глубокую благодарность Власову А.Н. за оказанную помощь в написании работы. Отдельно автор выражает благодарность Филимонову С.Д. за организацию полевых работ, Балашайтису Э.И., Бондаренко В.В., Китмановой Е.Д. за поддержку и помощь при проведении полевых исследований, Кутергину В.Н., Новикову П.И., Кальбергенову Р.Г., Серебровой О.В. за помощь и поддержку при проведении лабораторных исследований.
Определение свойств структурно-неоднородных сред
История создания композитных материалов тесно связана с историей развития человеческой популяции и развитием ремесел, основанных на применении мономатериалов из камня, железа, бронзы, меди и т.д. По прошествии каменного, бронзового и других веков мономатериалов люди научились создавать композитные материалы. С самого начала это были очень простые и очевидные составы, применявшиеся в строительстве, керамике и других ремеслах. Резкий скачок в развитии техники, и, как следствие, в разработке новых материалов не только в ремеслах, но и в строительстве в Европе произошел в конце XVIII – начале XIX вв. Уже в XIX в. Пьетро Нерви впервые запатентовал наиболее известный и самый применяемый композит в строительстве – железобетон [40]. Нынешний век без сомнения можно назвать веком композитных материалов. Исчерпав почти все ресурсы мономатериалов, которые дала природа, человек создает новые материалы на основе смесей из мономатериалов, применяя их во всевозможных отраслях. Строительство, авиастроение, медицина, биотехнологии, машиностроение, микроэлектроника, легкая промышленность и даже нанотехнологии, не перечислить все направления, где используются композитные материалы.
В большинстве своем гетерогенные среды возможно представить в виде матрицы и включения. Таким образом, композиты являют собой материалы, состоящие из двух и более разнородных веществ, и обладают свойствами, которые не имели исходные материалы и в которых прослеживаются границы между матрицей и включениями [107].
Наибольшее развитие и распространение с середины XX века приобрели композиты, основанные на полимерной матрице. Большой обзор современных композитных материалов приводится в журнале «Интернет-энциклопедия «Кругосвет». Широкое применение данных материалов в промышленности способствовало их проникновению не только в машиностроение, но и в области космонавтики и авиастроения, что дало возможность снижать вес конструкций до 30% и, как следствие, экономить и на самом производстве и на топливе. Большинство полимерных композитов создается на основе различных армирующих волокон: углеродные волокна (углепластики), борные мононити (боропластики), природные или синтетические жгуты, нити (органопластики). Все эти материалы активно применяются в ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, спортивного инвентаря, медтехники, протезов и пр.
Особое место занимают, так называемые текстолиты – слоистые композиты, которые получают с помощью фенолформальдегидной смолы и тканей. Данная технология было разработана еще 1920-х гг.
Среди полимерных композитов можно отметить ряд пористых материалов, которые используются в качестве абразивов, фильтров, теплоизоляторов, каталитических систем и т.д. Также существуют полимеры, наполненные порошками, которые значительно изменяют начальные свойства матричного вещества[37, 101].
Как в промышленных производствах, так и в авиа- и ракетостроении, в условиях высоких температур внедряются композиционные материалы с металлической матрицей, основанной на алюминии, магнии, никеле, меди и т.д. В качестве включений используются тугоплавкие частицы разной дисперсности или волокна. Подобные сочетания придают данным композитам значительную жаропрочность. Например, армирование волокнами бора сплавов алюминия позволяет применять композит при 500С, вместо 300С. Существуют композиционные материалы, на основе керамической матрицы. Чаще всего такие материалы армируются с помощью металлических волокон, а также керамических дисперсных частиц. Полученные материалы на основе металлических волокон называются керметами, из которых изготавливают детали ракетных двигателей, элементы газовых турбин, арматуру электропечей [37, 101].
Среди композитов, основанных на природных материалах, активно используются древесная компонента. Наиболее известны древесно-стружечные плиты (ДСП и МДФ), а также в последнее время все больше приобретают популярность древесно-полимерные композиты [1].
Перед разработчиками современных летательных аппаратов повсеместно стоит задача сделать конструкцию максимально легкой, надежной и эффективной с экономической точки зрения. Именно поэтому в авиастроении энергично внедряются новые композитные материалы, например, пассажирский самолет А380 компании Airbus на 25% состоит из композитного материала с торговым названием «Глэр» [38]. В нашей стране ведутся разработки нового летательного аппарата Су-49, который полностью состоит из композитов и может летать на автомобильном бензине. Также ведутся работы по созданию полностью композитного реактивного самолета Су-52 [36].
Требования к современным космическим аппаратам рождают спрос на материалы, способные менять свои свойства во времени или в результате каких-либо воздействий на них. Например, в статье Уилла Найта «Космические композитные материалы займутся самолечением» (интернет-журнал «Элементы», №1, 2006) отмечается новый экспериментальный конструкционный материал, в котором небольшие трещины и дефекты сами затягиваются за счет разрушения трубок с твердеющим составом (рис.1.1.) [39].
Полые стеклянные трубки, пронизывающие композитный материал (вверху слева) (рис. с сайта www.esa.int) [39].
В последние годы к нанотехнологиям проявляется особый интерес, так как они относятся к высоким технологиям XXI века. Переход к таким технологиям требует создания принципиально новых конструкционных материалов (в том числе, металлических) с участием малых наноразмерных частиц (не более 100 нм). Специфические магнитные, механические, оптические, химические и др. свойства нанокомпозитов обусловлены в первую очередь тем, что они обладают высокой поверхностной энергией. Нанокомпозиты исследуются методами электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и т.д. [31, 45].
Даже в биомеханике композитные материалы нашли широкое применение, так как практически все ткани живых организмов являются сложными композитами с несколькими структурными уровнями [13].
Технологии производства новых материалов развиваются огромными шагами, на предприятиях отрабатываются различные способы получения как композитов для узкого использования, так и широкого применения. Все эти новые материалы нуждаются в точных описаниях их составов, методов обработки и получения, в обработке статистики апробации для дальнейшего применения их на других предприятиях и в других областях. Большой объем различных композитных материалов рассмотрен в двухтомнике «Справочник по композиционным материалам» под редакцией Дж. Любина, 1988, где описаны матрицы на основе различных смол, стеклонаполненные термопласты, стеклопластики, армирующие борные, углеродные и арамидные волокна и пр. Также детально рассмотрено производство данных материалов и их экономические преимущества [101].
Для изучения композитов необходимо в первую очередь их систематизировать на основе их структурных моделей.
В строении композита принято выделять наполнитель (дисперсную фазу, включения) и матрицу. Наполнитель определяет новые специфические свойства композита в целом, матрица является основным по объему связующим элементом. В зависимости от наполнителя гетерогенные среды делятся на пять основных видов: композиты с дисперсными частицами; волокнистые композиты; слоистые композиты, композиты неясной структуры и композиты с отсутствием ярко выраженных границ. Каждый вид композита при попытке оценить его свойства в первую очередь должен быть упрощен до наиболее простой модели. Естественно, что определяющим фактором здесь является геометрический, поэтому перечисленные выше виды композитов могут быть представлены следующим образом
Некоторые методы оценки эффективных свойств структурно-неоднородных грунтовых массивов
При наличии в массиве толщи слабых грунтов (слабоуплотненных, просадочных, с высоким содержанием органики и пр.) возникает проблема их несущей способности при строительстве зданий и сооружений.
Часто строители прибегают к трудоемкой и дорогостоящей технологии – выемке слабого грунта из котлована и замещения его более надежным грунтом. В настоящее время строительные компании нередко отказываются от этой технологии и применяют методы технической мелиорации для улучшения свойств природных слабых грунтов с созданием геотехногенных массивов.
Таким образом, на базе природного возникает новый преобразованный массив, служащий основанием для каких-либо инженерных сооружений, называемый геотехногенным массивом. Геотехногенный массив - термин, введенный рядом авторов (Мельников Б.Н., Нестеров А.И., Осипов В.И.), определяется как «часть грунтовой толщи, улучшенная методами технической мелиорации с образованием пространственной структуры массива на фациальном уровне» [38]. В своих работах Осипов В.И. [74,75] рассматривает необходимость структурного подхода при создании геотехногенных массивов. Главная задача при создании геотехногенных массивов добиться максимально эффективного совместного взаимодействия элементов нулевого цикла – инженерных конструкций и грунтовых оснований, природных и преобразованных. Нулевой цикл сооружения подразумевает под собой все работы, связанные с формированием фундамента, инженерных коммуникаций и подготовкой грунтового основания [56].
В связи с этим в работе [56] Мельниковым Б.Н., Нестеровым А.И., Осиповым В.И. была предложена схема разработки модели нулевого цикла, включающая в себя четыре этапа. На первом этапе анализируются основные факторы, влияющие на разработку геотехногенного массива: геологические условия и структура природного грунтового массива, воздействия проектируемого сооружения на массив, коммуникационные системы. На втором этапе разрабатывается физическая модель, включающая в себя определение размера и формы техногенных структурных элементов, необходимых для создания в природном массиве дополнительных структурных сеток более высокого порядка; мероприятия по повышению структурной прочности природных завершенных сеток; выбор оптимальной конструкции распределительной системы, позволяющей равномерно распределять напряжение в массиве. На третьем этапе проводится инженерный расчет физико-механических параметров разрабатываемого геотехногенного массива. На завершающем четвертом этапе разработки рассматриваются методы создания техногенного массива [56].
Авторами Мельниковым Б.Н., Нестеровым А.И., Осиповым В.И. [56] проанализированы и систематизированы некоторые подходы и определены требования к созданию геотехногенных массивов:
1. «Изменение характера работы массива за счет введения элементов неоднородности. Практически этот метод реализуется за счет создания упрочненных блоков в напряженной зоне основания путем втрамбовывания крупноглыбового материала, нагнетания цементного раствора и пр. Данный метод был применен при строительстве промышленных предприятий Михайловского завода, Нижнетагильского металлургического комбината.
2. Использование наиболее универсального пучкового распределения напряжений посредством создания жестких элементов таким образом, что наиболее прочная часть устраивается в месте приложения максимальной нагрузки. Создаваемые элементы имеют зональное строение: вокруг наиболее прочного ядра образуются менее прочные зоны, прочность которых снижается по мере удаления от центра элемента. В качестве примера могут быть приведены инъекционные сваи прокалывания, сваи нагнетания, анкеры, заделываемые в скважины нагнетания цементного раствора и т.д. Подобные решения были внедрены при строительстве некоторых сооружений Богословского алюминиевого завода и Нижнетагильского металлургического комбината.
3. Создание новых эффективных структурных ступеней посредством перевода незавершенных структурных сеток в завершенные. Этого можно достичь путем нагнетания цементного раствора, втрамбовывания крупноглыбового материала, устройства буро-набивных свай и т.д. Примером применения метода служит формирование нулевого цикла при строительстве промышленных сооружений Невьянского цементного завода.
4. Использование предварительного обжатия эффективных структур сеток, что выполняется чаще всего вместе с вышеописанными мероприятиями.
5. Использование эффекта ограничивающей обоймы структурной прочности. В качестве примера: в слабых водонасыщенных грунтах может оказаться более рациональным устройство не свайных фундаментов, а решетчатой горизонтальной мембраны, уложенной в слой уплотненного грунта. Данный способ также применяется в сочетании с другими методами.
6. Использование сводового эффекта. В грунтовом массиве с элементами разной прочности сводовый эффект проявляется, когда характер структуры грунта обеспечивает опирание свода на более жесткие элементы. С помощью данного метода устраивался нулевой цикл при строительстве некоторых промышленных объектов в г. Верхняя Пышма, Екатеринбургской области.
7. Использование мембранного эффекта, основанного на армировании грунта. Данный метод дает хорошие результате в комбинации с методами сводового эффекта, эффекта ограничивающей обоймы структурной прочности, введения элементов неоднородности. Метод мембранного эффекта использовался при строительстве жилых домов в г. Полевском Екатеринбургской области.
8. Создание распределительной сети взаимного погашения напряжений сдвига и за счет этого уменьшение градиента общих напряжений. Метод эффективен в сочетании с мероприятиями по увеличению пути массопереноса.
9. Увеличение пути массопереноса и использование начального градиента фильтрации. Такие мероприятия могут быть выполнены путем устройства горизонтальных уплотненных фильтрующих завес. При наличии зон с повышенной влагопроницаемостью работы должны сочетаться с работами по тампонированию этих зон. Примером служат устройство нулевого цикла при строительстве некоторых промышленных зданий в г. Кувша.» Большинство вышеперечисленных методов лучше всего работают при их комплексном использовании [56].
Инъекционные методы создания геотехногенных массивов
По гранулометрическому составу пески делятся на гравелистые, крупные, средние, мелкие и пылеватые. Распространение того или иного вида в основном объясняется тектоническим фактором, составом пород, климатическими условиями и генезисом песчаных толщ. Гравелистые, крупные и средние пески часто встречаются в горно-складчатых областях, в пределах подвижных платформ и щитов устойчивых платформ. Мелкие и пылеватые пески преимущественно распространены в пределах устойчивых древних плит и молодых платформ. От генетического фактора зависимость гранулометрического состава проявляется в единых областях сноса и аккумуляции. Например, в на территориях, где имело место четвертичное оледенение, наиболее грубыми по составу являются флювиогляциальные пески. Аллювиальные пески, образовавшиеся за счет размыва флювиогляциальных песков, более однородны и дисперсны. Прибрежно-морские пески окажутся еще более дисперсными.
Степень однородности гранулометрического состава песков может изменяться в пределах одной толщи. Наиболее однородными считаются эоловые, морские и аллювиальные отложения равнинных рек. Также в этих генетических типах и флювиогляциальных образованиях имеют широкое распространение бидисперсные пески. Полидисперсные пески характерны среди различных генетических типов, образовавшихся в горных областях.
Пески характеризуются незначительной емкостью обмена – 1-2 мк экв на 100 г грунта, что обусловлено также их гранулометрическим составом.
Морфология зерен тесно связана с генетическим фактором. В монографии Потапова А.Д., Платова Н.А. и Лебедевой М.Д. [91] рассмотрены зависимости между морфологией зерен и физико-механическими свойствами песков, предложена типизация изученных песков по составу и морфологии.
Степень окатанности зерен зависит от большого числа факторов: размер частиц, минеральный состав, характер и условия переноса. Среди песков одного генезиса наиболее хорошо окатанными будут крупно- и среднезернистые, чем мелкие и пылеватые. Эоловые пески отличаются хорошей окатанностью, морские – от слабой до средней, аллювиальные – средней, пролювиальные – слабой и средней, делювиальные – слабой.
Поверхность зерен может быть ровной, неровной, бугорчатой, матовой, полированной, граненой, изъеденной. Частицы могут быть покрыты железистыми, глинистыми и смешанными «рубашками».
Песчаным толщам присуще слоистое строение, характер которого обусловлен их генезисом. Косослоистые разности типичны для эоловых, русловых аллювиальных, дельтовых, прибрежно-морских, водно-ледниковых отложений. Горизонтально-слоистые текстуры характерны для песков пойменной и старичной фации аллювия, также встречаются среди водноледниковых и морских толщах. Неслоистые разности встречаются среди отложений элювиального генезиса.
Одним из стабильных показателей песчаного грунта является плотность твердых частиц. Она зависит от минерального состава, у кварцевых и кварцево-полевошпатовых песков плотность твердых частиц составляет 2,65-2,66 г/см3. Наличие легкорастворимых солей понижает плотность до 2,55-2,60 г/см3, а примесь тяжелых металлов наоборот ее повышает до 2,70 г/см3.
Плотность скелета (плотность сложения) грунта изменяется в более значительных пределах: от 1,45 до 1,85 г/см3. На плотность скелета может в большой степени повлиять наличие органики: понизить ее до 1,20-1,35 г/см3. Различаются пески рыхлые, плотные и средней плотности – наиболее распространенные.
Общая пористость песчаных отложений наблюдается в диапазоне 25-55%, однако, чаще всего 35-45%. На значения пористости влияет дисперсность песков: чем выше дисперсность, тем выше пористость.
На плотность и пористость песков в большей степени влияет генезис, так как именно он определяет дисперсность, литологический состав, возраст, глубину залегания, строение толщи и т.д.
Влажность песков может варьировать в пределах от 1 до 50% (объемная влажность). В верхней части разреза чаще всего пески обладают небольшой влажностью 1-5%, если это выше капиллярной каймы. Влажность закономерно увеличивается в зоне капиллярной каймы по мере приближения к уровню грунтовых вод. В зоне насыщения объемная влажность может достигать до 50-53% по данным Фадеева П.И. Вода в песках по физическому состоянию является капиллярной и гравитационной. Высота капиллярного поднятия в песчаных грунтах зависит от дисперсности, так в крупнозернистых песках она составляет 3-12, в среднезернистых – 15-35, мелкозернистых – 35-100 см.
Пески отличаются высокой водопроницаемостью, которая зависит от гранулометрического состава. В гравелистых песках коэффициент фильтрации достигает 80-100 м/сут, в мелко-, средне-, крупнозернистых – 20-50 м/сут, в пылеватых – 1 м/сут.
В некоторых песчаных отложениях возможно возникновение суффозии – выноса самых мелких частиц из толщи фильтрационным потоком, что является причиной увеличения пористости, ухудшения прочностных и деформационных свойств грунтов. Суффозии подвержены пески с неоднородным грансоставом и достаточными скоростью и градиентом фильтрационного потока.
Среди основных физико-механических свойств песчаных грунтов наиболее важным и показательным являются деформационные и прочностные характеристики. Песчаные грунты под воздействием статической нагрузки уплотняются слабо, относительно связных грунтов. Однако пески эффективно уплотняются под воздействием вибронагрузок. Модуль общей деформации у песчаных грунтов составляет от 10 до 50 МПа, причем, чем больше дисперсность и пористость, тем ниже модуль общей деформации.
По сравнению со связными грунтами пески отличаются высоким сопротивлением сдвигу, которое увеличивается с уменьшением дисперсности и ростом плотности. Угол внутреннего трения у песков изменяется в диапазоне 25-430, в то время как сцепление у песков нарушенной структуры отсутствует, а у песков ненарушенной структуры колеблется в пределах первых тысячных МПа [27, 30, 76,81, 91, 103].
В некоторых случаях происходит потеря устойчивости водонасыщенных песков - плывунность, что является причиной больших и непредсказуемых аварий. К разжижению песков приводит изменение гидродинамического давления фильтрационного потока (например, при вскрытии песков различными выработками, котлованами), а также нередко воздействие динамических нагрузок. Явлению разжижения песчаных грунтов посвящено много экспериментальных работ и исследований (Иванов П.Л., Бунин М.В., Горькова И.М., Платов Н.А., Потапов А.Д.) [91].
Пески имеют широкое распространение в сфере инженерной деятельности человека: часто они являются основаниями сооружений, используются при формировании насыпных и намывных сооружений, играют значительную роль при создании насыпных (техногенных) грунтов и др. В тоже время песчаные грунты считаются хорошим основанием сооружений, поэтому вполне оправдана необходимость детального и всестороннего изучения песчаных грунтов в инженерно-геологическими целях.
Особенности технологии при укреплении грунта под новое строительство
Методы, направленные на определение ЭМОД усиленных ИГЭ, показали хорошую сходимость результатов. Характеристики, полученные методом обратного правила смеси (31-77 МПа) (см. рис. 6.3, линии 1, 2), в целом чуть выше показателей, полученных по ЭДЗ (30-65 МПа) (см. рис. 6.3, линия 3), что и ожидалось, так как метод ЭДЗ учитывает только уплотнение грунтов в процессе армирования, в расчете методом обратного правила смеси используется информация и об уплотнении грунтов и наличии в разрезе цементного камня. Кроме того, независимые испытания скважинным штампом также дали значения в указанных рамках - 26-46 МПа. Несколько заниженные значения модуля по сравнению с ранее приведенными, очевидно, связаны с масштабным эффектом и отсутствием законтурной обоймы (см. рис. 6.6). Значения исходного модуля общей деформации ИГЭ до усиления определялись границами от 4 до 23 МПа.
На основании полученных ЭМОД усиленных ИГЭ проведена оценка эффективных модулей общей деформации усиленных массивов с помощью метода расчета по осадкам и принципа «суперпозиции».
Остановимся подробнее на результатах определений по осадкам, которые представлены на графиках на рис. 6.10 и 6.11 по схеме упругого полупространства и по схеме упругого слоя на рис. 6.12 и 6.13.
Имея данные по модулям общей деформации для каждого ИГЭ до усиления (см. рис. 6.2 и табл.6.1), можно рассчитать осадки сооружений в условиях, когда грунты в их основании находятся в естественном сложении. По схеме линейно-деформируемого полупространства данные осадки в основном укладываются в интервал значений от 77 до 153 мм (см. рис. 6.10, линия 1). На графике видно экстремальное значение осадки – 203 мм, что можно объяснить присутствием в массиве под данной блок-секцией ИГЭ с модулем общей деформации 4 МПа. На графике распределения эффективных модулей общей деформации массива (см. рис. 6.11, линия 1), полученных по схеме упругого полупространства, по блок-секциям отмечены значения показателя для всей сжимаемой толщи, которые колеблются в пределах от 12 до 32 МПа. По схеме линейно-деформируемого слоя эффективный модуль общей деформации неукрепленного массива остался в аналогичных пределах: от 14 до 32 МПа (см. рис. 6.13, линия 1), а осадки составили от 31 до 60 мм (см. рис. 6.12, линия 1). Также единичный максимум 120 мм в блок-секции связан с наличием слабого ИГЭ.
Результатом второго расчета с использованием проектного модуля общей деформации усиленных ИГЭ, значения которых составляют 25 МПа везде, явились осадки и ЭМОД усиленного массива, предусмотренные проектом. На рис. 6.10 и 6.11 можно отметить, что по схеме упругого полупространства осадки изменяются в пределах 69-136 мм (см. рис. 6.10, линия 2), а ЭМОД массива – 24-34 МПа (см. рис. 6.11, линия 2). По схеме упругого слоя модули сохранили границы: 24-35 МПа (см. рис. 6.13, линия 2), в то время как осадки составили от 27 до 45 мм (см. рис. 6.12, линия 2). При оценке ЭМОД массива значения, полученные с использованием проектных характеристик, следует считать нижней границей.
Третьим и четвертым расчетами были получены осадки сооружений и ЭМОД усиленного массива в случае, когда в качестве модуля общей деформации усиливаемых ИГЭ были взяты значения, полученные по данным ЭДЗ, и с помощью расчета по методу обратного правила смеси (см. рис. 6.3). Два описываемых расчета рассматриваются здесь одновременно по той причине, что их результаты совпадают на 90%. При использовании схемы упругого полупространства значения осадок колебались в пределах 49-85 мм (см. рис. 6.10, линии 3, 4), а эффективный модуль общей деформации массива принимает значения от 27 до 42 МПа (см. рис.6.11, линии 3,4). Однако на графике есть значение эффективного модуля деформации 74 МПа, в данной блок-секции до усиления встречается ИГЭ с общим модулем деформации 4 МПа мощностью более 2 м. В процессе усиления в этот ИГЭ попала подавляющая часть раствора, что впоследствии и обусловило высокий эффективный модуль общей деформации. Это подтверждают данные ЭДЗ после усиления – на глубине обозначенного ИГЭ обнаруживаются зоны разбуривания. Расчеты по схеме упругого слоя дали значения ЭМОД массива 26-45 МПа (см. рис. 6.13, линии 3, 4), а осадки – 21-37 мм (см. рис. 6.12, линии 3, 4).
Значения ЭМОД усиленного массива грунтов были определены методом подбора таким образом, чтобы при расчете максимальная осадка сооружений соответствовала фактической. Фактические осадки имеют весьма малые значения – 14-38 мм (см. рис. 6.10 линия 5, рис. 6.12, линия 5), поэтому при использовании схемы упругого полупространства значения ЭМОД массива оказались довольно высоки от 58 до 155 МПа (см. рис. 6.11, линия 6). Данные значения можно принять за гипотетически возможную верхнюю границу значений эффективного модуля общей деформации усиленного массива. Согласно расчету по схеме упругого слоя получены более приемлемые значения эффективного модуля: 25-64 МПа (см. рис. 6.13, линия 6), поэтому именно их следует считать реальной верхней границей ЭМОД массива.
Таким образом, с помощью метода расчета по осадкам в программе Foundation были получены верхняя и нижняя границы эффективного модуля деформации массива.
При сравнении значений ЭМОД массивов и осадок, полученных по двум схемам, очевидно, что выбор расчетной схемы (упругого полупространства или слоя) слабо отражается на получаемых их значениях (см. рис. 6.11, 6.13), когда определяются показатели естественных грунтов (линия 1), проектные значения (линия 2), значения по ЭДЗ (линия 3) и по методу обратного правила смеси (линия 4). Чего нельзя сказать об осадках: при расчете по схеме упругого полупространства значения получаются явно завышенные (до 150 мм) (см. рис. 6.10, линия 1, 2, 3, 4), тогда как по схеме упругого слоя - в среднем до 60 мм (см. рис. 6.13, линия 1, 2, 3, 4).
Для расчетов по обеим схемам (полупространства и слоя) можно отметить одинаковые закономерности: значения ЭМОД массива без усиления самые низкие (12-32 МПа) (см. рис. 6.11, 6.13, линия 1). В то же время осадки самые высокие: 77-153 мм – схема упругого полупространства (см. рис. 6.10 линия 1), и 31-60 мм – схема упругого слоя (см. рис.6.12 линия 1).
Значения модулей усиленного массива, предусмотренные проектом, чуть выше (24-35 МПа) (см. рис. 6.11, 6.13, линия 2), а осадки – ниже (69-136 мм (рис. 6.10, линия 2), 27-45 мм (рис. 6.12, линия 2). В расчете усиленного массива с использованием данных по ЭДЗ и аналитическому расчету, получены значения ЭМОД в основном выше проектных (26-45 МПа (см. рис. 6.11, 6.13 линии 3,4)), а осадки – ниже (49-85 мм, (рис. 6.10, линии 3, 4), 21-37 мм (см. рис. 6.12, линии 3, 4)). Показатели по ЭДЗ и расчету методом обратного правила смеси совпадают и на графике их кривые слились (рис. 6.10-6.13). Необходимо отметить, что формы кривых всех перечисленных зависимостей ЭМОД усиленного массива близки, что говорит о хорошей сходимости полученных значений для каждой конкретной блок-секции.
Подобная закономерность не случайна. По проектным данным изменяются только показатели усиливаемого ИГЭ, причем берется минимальное значение модуля общей деформации, которое достигается после усиления – 25 МПа (т.н. проектное значение). В методе ЭДЗ уже используются фактические данные, где модуль деформации в большинстве случаев выше проектного. Однако опять же учитываются только уплотнение усиливаемых грунтов. Расчет по обратному правилу смеси включает как модули уплотненных грунтов, так и цементного камня.
Рассмотрим значения ЭМОД усиленного массива, полученные расчетом по фактической осадке, которая также нанесена на график осадок. Фактическая осадка меньше всех расчетных осадок, полученных по схеме линейно-деформируемого полупространства (см. рис. 6.10, линия 5), при этом ЭМОД массива получаются крайне высокими (до 155 МПа) (см. рис.6.11, линия 6), а условная глубина сжимаемой толщи достигает 18 м. Это вызывает вопрос о пригодности применения схемы линейно-деформируемого полупространства для расчета осадок широких фундаментов для максимально точной оценки свойств массива.
В расчете по схеме упругого слоя основная часть расчетных осадок также выше фактических (см. рис. 6.12, линия 5). ЭМОД усиленного массива, полученные подбором к фактическим осадкам, составляют от 25 до 64 МПа (см. рис.6.13, линия 6), условная глубина сжимаемой толщи в среднем достигает 7.2 м. Кроме того, форма кривой зависимости ЭМОД массива по фактическим осадкам в большинстве случаев повторяет формы аналогичных кривых, полученных по проекту, ЭДЗ и аналитическому решению. Данный факт отражает хорошую сходимость полученных результатов для каждой блок-секции.
Метод расчета по фактическим осадкам определенно уже учитывает все факторы влияния армирующих элементов на массив, именно поэтому он дает более высокие значения эффективных характеристик массива в большинстве случаев.
В результате расчета по методу по осадкам получаются нижние границы ЭМОД массива, рассчитанные по проектным ЭМОД, – 24 МПа, и верхние границы, рассчитанные по фактическим осадкам, – 64 МПа (см. рис. 6.10-6.13), что говорит о существенной разнице между заложенными проектными ЭМОД и полученными по фактическим данным.
Похожие диссертации на ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОГО МОДУЛЯ ОБЩЕЙ ДЕФОРМАЦИИ ПЕСЧАНОГО МАССИВА, УСИЛЕННОГО ПО МЕТОДУ «ГЕОКОМПОЗИТ»
-
-
